JPH06237581A - 超音波モータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スイッチングパルス幅を変化させた際、最適駆
動周波数の追尾機構の誤動作等を防止する超音波モータ
駆動回路を提供することを目的とする。 【構成】ＤＣ電源１０を用い、トランスＴ１，Ｔ２をス
イッチングして発生した交流信号ＶＡ，ＶＢを圧電素子
に印加することにより、該圧電素子が配置された超音波
モータ７を駆動する、超音波モータ駆動回路において、
上記超音波モータ７の駆動状態を検出するモニタ手段
と、このモニタ手段の出力に基づいて上記交流信号の周
波数を制御する周波数制御手段と、上記トランスＴ１，
Ｔ２を制御するスイッチングパルスの幅を制御するパル
ス幅設定回路４と、上記スイッチングパルスの幅が変動
している際には、上記周波数制御手段の動作を禁止する
周波数変化禁止手段１とを具備するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ駆動回
路、詳しくは、超音波モータの最適駆動を行う超音波モ
ータ駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波モータに設置されたモニタ
電極の出力信号（モニタ信号）と印加している交流駆動
信号との位相差を検出して駆動周波数を最適化する技術
手段は種々知られており、たとえば、特開昭６１−２５
１４９０号公報には、上記モニタ信号の、駆動電圧に対
する位相が共振周波数付近で大きく変化することを利用
して、該モニタ信号の位相をモニタし、その位相にもと
づいて共振周波数、または、該共振周波数よりもやや高
周波の領域で超音波モータを駆動する技術手段が開示さ
れている。

【０００３】一方、モニタ電極からの様々な信号をモニ
タすることによる最適駆動周波数の追尾方法が提案され
ていて、たとえば、特開平１−２３４０７３号公報に
は、誘導性素子をスイッチングするスイッチングパルス
のパルス幅を変化させて回転速度を制御する技術手段が
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
１−２３４０７３号公報に開示された技術手段では、回
転速度の制御等を行う際にスイッチングパルスのパルス
幅を変化させるため、超音波モータの振動状態が過渡的
に不安定となり、検出する該超音波モータのモニタ信号
が振動したり、あるいは一時的に大きく変化する場合が
ある。したがって、スイッチングパルス幅を変化させな
がらモニタ信号による最適駆動周波数の追尾を行うと、
該駆動周波数が必要以上に変化したり不安定な変化を繰
り返すことになる。これにより、超音波モータの出力が
急激に低下し該モータが停止する虞もある。また、最適
駆動周波数の追尾を行う際に不要振動や異音を発すると
いう問題点も生じる。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、スイッチングパルス幅を変化させた際、最適
駆動周波数の追尾機構の誤動作等を防止する超音波モー
タ駆動回路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による超音波モータ駆動回路は、直流電源を
用い、誘導性素子をスイッチングして発生した交流信号
を電気−機械エネルギー変換素子に印加することによ
り、該電気−機械エネルギー変換素子が配置された超音
波モータを駆動する、超音波モータ駆動回路において、
上記超音波モータの駆動状態を検出するモニタ手段と、
このモニタ手段の出力に基づいて上記交流信号の周波数
を制御する周波数制御手段と、上記誘導性素子を制御す
るスイッチングパルスのパルス幅を制御するパルス幅制
御手段と、上記スイッチングパルスのパルス幅が変動し
ている際には、上記周波数制御手段の動作を禁止する周
波数変化禁止手段とを具備するものである。

【０００７】

【作用】本発明においては、モニタ手段で超音波モータ
の駆動状態を検出し、このモニタ手段の出力に基づいて
周波数制御手段で交流信号の周波数を制御する。そし
て、パルス幅制御手段で誘導性素子を制御するスイッチ
ングパルスのパルス幅を制御して、上記スイッチングパ
ルスのパルス幅が変動している際には、周波数変化禁止
手段で上記周波数制御手段の動作を禁止する。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【０００９】図１は、本発明の第１実施例を示す超音波
モータ駆動回路の電気回路図である。

【００１０】この第１実施例の超音波モータ駆動回路
は、２つの駆動電極７Ａ，７Ｂおよびモニタ電極７Ｍを
有する公知の超音波モータ７に所定の２相交流信号を印
加し、さらに上記モニタ電極７Ｍからのモニタ信号をモ
ニタして該超音波モータ７の駆動制御を行うものであ
る。

【００１１】すなわち、該駆動回路は、該駆動回路の制
御を行うと共に後述する周波数変化禁止手段１およびパ
ルス幅変更指示手段２とを有するＣＰＵ１１と、超音波
モータ７に印加する交流信号の約４倍の周波数を有する
パルス信号φＯＲＧを生成並びに出力する発振回路３
と、該発振回路３から出力された上記パルス信号φＯＲ
Ｇのパルス幅を規定してパルス信号φＵＳＲとして出力
するパルス幅設定回路４と、該パルス幅設定回路４から
出力された上記パルス信号φＵＳＲを４相のパルス信号
φ１〜φ４に分周して出力するパルス変換回路５と、該
パルス変換回路５から出力される上記パルス信号φ１〜
φ４にそれぞれ対応してスイッチング動作を行うスイッ
チングトランジスタＱ１〜Ｑ４と、１次側の中間タップ
にＤＣ電源１０のプラス電圧が供給され、上記スイッチ
ングトランジスタＱ１およびＱ２のスイッチング動作に
よって１次側がオンし、これに伴い２次側にＡ相の交流
信号ＶＡを出力するトランスＴ１と、同じく上記スイッ
チングトランジスタＱ３およびＱ４のスイッチング動作
によって１次側がオンし、２次側にＢ相の交流信号ＶＢ
を出力するトランスＴ２と、上記超音波モータ７のモニ
タ電極７Ｍからのモニタ信号を所定のディジタル信号に
変換する波形整形回路９と、該波形整形回路９のディジ
タル出力信号と上記パルス変換回路５からの１出力であ
るパルス信号φ２とを入力し、該２つの信号の位相を比
較してカウントし、この結果、すなわち、該２つの信号
の位相の位相差を上記発振回路３に送出する位相差カウ
ンタ８と、上記超音波モータ７の回転を検出して所定パ
ルスを生成し、上記ＣＰＵ１１内のパルス幅変更指示手
段２に送出する回転エンコーダ６とで主要部が構成され
ている。

【００１２】上記超音波モータ７は、圧電素子を備えた
公知の進行波型超音波モータであり、上述したように２
つの駆動用の電極７Ａ，７Ｂを備えている。すなわち、
該電極７Ａ，７Ｂには、互いに位相が約９０°ずれた上
記２相（Ａ相，Ｂ相）の交流信号ＶＡ，ＶＢが印加され
るようになっており、この２相の交流信号によって回転
駆動がなされるようになっている。また、該超音波モー
タ７はモニタ電極７Ｍを有しており、このモニタ電極７
Ｍからの出力信号（モニタ信号）ＶＭは上述したように
波形整形回路９に入力されるようになっている。

【００１３】図２は、本第１実施例の上記発振回路３，
パルス幅設定回路４およびパルス変換回路５の構成を示
した電気回路図である。なお、上記発振回路３およびパ
ルス幅設定回路４は上記ＣＰＵ１１内において構成され
ている。

【００１４】上記発振回路３は、ＣＰＵ１１内において
所定出力をラッチするラッチ３１と、発振子３３からの
クッロクを受け、上記ラッチ３１出力に基づいて超音波
モータ７に印加する交流信号の約４倍の周波数を有する
パルス信号φＯＲＧを生成・出力するダウンカウンタ３
２とで構成される。このダウンカウンタ３２の出力は図
４のタイミングチャートに示すようにパルス幅Ｐ３２＝
１／４ｆ（ｆは超音波モータ７に印加する交流信号の周
波数）を有するパルス波形となっている。

【００１５】また、上記パルス幅設定回路４は同様にＣ
ＰＵ１１内において所定出力をラッチするラッチ４１
と、上記発振子３３からのクッロクを受け、上記ラッチ
４１出力に基づいて上記ダウンカウンタ３２の出力、す
なわち、パルス信号φＯＲＧのパルス幅を制限する信号
を出力するダウンカウンタ４２と、上記パルス信号φＯ
ＲＧと該ダウンカウンタ４２からの出力信号とによりパ
ルス幅（図４のパルス幅Ｐ４２参照）の設定されたパル
ス信号φＵＳＲ（図４参照）を出力するＲ−Ｓフリップ
フロップ４３とで構成される。

【００１６】さらに、上記パルス変換回路５は、４つの
Ｄフリップフロップ５１で構成される４ビットシフトレ
ジスタを有し、上記Ｒ−Ｓフリップフロップ４３からの
出力信号、パルス信号φＵＳＲを４相のパルス信号φ１
〜φ４に分周して（図４参照）、それぞれスイッチング
トランジスタＱ１〜Ｑ４に対して出力するようになって
いる。

【００１７】図３は、本第１実施例における位相差カウ
ンタ８および波形整形回路９を示した電気回路図であ
る。

【００１８】上記波形整形回路９は、減圧用抵抗９４，
９５とクランプダイオード９２，９３およびヒステリシ
スを有したインバータ９１とで構成されている。そし
て、上記抵抗９４の入力端は上記超音波モータ７に設置
された振動状態検出用の上記モニタ電極７Ｍに接続して
おり、これにより該超音波モータ７のからのモニタ信号
ＶＭが該波形整形回路９に入力するようになっている。
そして、この波形整形回路９に入力されたモニタ信号Ｖ
Ｍ（図４参照）は、減圧用抵抗９４，９５によって減圧
されたのち、クランプダイオード９２，９３によって整
流され、さらにインバータ９１によってディジタル信号
に整形されて（図４参照）位相差カウンタ８に対して出
力されるようになっている。

【００１９】上記位相差カウンタ８は、上記波形整形回
路９からの出力信号、すなわち、波形整形されたモニタ
信号ＶＭと、上記パルス変換回路５からの１出力である
パルス信号φ２との位相差を検出するＲ−Ｓフリップフ
ロップ８１と、上記発振子３３からのクロックを受け、
上記Ｒ−Ｓフリップフロップ８１からの出力、すなわ
ち、上記モニタ信号ＶＭとパルス信号φ２との位相差を
カウントしてＣＰＵ１１内の発振回路３に対して出力す
るアップカウンタ８２とで構成されている。

【００２０】上記回転エンコーダ６は、超音波モータ７
の回転状態を検出して所定パルスを出力するもので、た
とえば、公知のフォトインタラプタやＭＲセンサ等によ
り構成できる。そして、該回転エンコーダ６の出力は上
記ＣＰＵ１１内のパルス幅変更指示手段２に送出される
ようになっている。

【００２１】上記周波数変化禁止手段１およびパルス幅
変更指示手段２は、上述したようにＣＰＵ１１内に形成
されている。このパルス幅変更指示手段２には、上記回
転エンコーダ６からの出力、すなわち、超音波モータ７
の回転状態の情報が入力され、動作時にはパルス幅設定
回路４と周波数変化禁止手段１に変更後のパルス幅の値
および動作信号を出力するようになっている。

【００２２】次に、本第１実施例の超音波モータ駆動回
路の動作を図５に示すフローチャートを参照して説明す
る。

【００２３】まず、駆動のモードに入ると（ステップＳ
１）、初期駆動周波数ｆｓ、初期パルス幅Ｗｎ、駆動す
べきパルス数を設定する（ステップＳ２）。次に駆動を
開始し（ステップＳ３）、回転エンコーダ６からのパル
ス信号が入力されるまで待機する（ステップＳ４）。こ
のステップＳ４で上記回転エンコーダ６からの所定パル
ス信号が入力されると該パルス数をカウントダウンする
（ステップＳ５）。一方、該回転エンコーダ６からのパ
ルス信号が入力されない場合は、位相差カウンタ８を読
み出し（ステップＳ７）、最適駆動周波数に対応する値
と比較して該周波数を増減する（ステップＳ９，ステッ
プＳ８）。

【００２４】上記ステップＳ５におけるパルス数のカウ
ントダウン後は、停止位置から所定パルス数手前の減速
領域に達したか否かを判定し（ステップＳ６）、該減速
領域に達していなければ上記ステップＳ４に戻る。

【００２５】また、減速領域に達した場合は、回転エン
コーダ６からのパルス数を検出し（ステップＳ１１）、
駆動パルス数をカウントダウンして駆動残パルス数がゼ
ロになれば超音波モータ７を停止する（ステップＳ１
３，ステップＳ１７）。

【００２６】一方、上記ステップＳ１３において残パル
ス数がゼロでない場合は、パルスの時間間隔を測る等で
検出した回転速度を、目的速度と比較し（ステップＳ１
４）、パルス幅を増減させる（ステップＳ１５，ステッ
プＳ１６）。この目的速度は通電を停止すれば超音波モ
ータ７が１パルス以下のオーバーランで停止するもので
ある。なお、駆動周波数とスイッチングパルス幅の変化
の状態を図６に示す。

【００２７】このような本第１実施例によれば、上記ス
テップＳ１１に入ることにより駆動周波数追尾のループ
を通らなくなるため、駆動周波数の変化が禁止され、パ
ルス幅を変化させても最適駆動周波数の追尾機構の誤動
作により超音波モータが停止してしまったり、振動や異
音を発することがない。また、停止時に減速するため、
駆動すべきパルス数を正確に駆動できる。

【００２８】また、上記周波数変化禁止手段１，パルス
幅変更指示手段２，発振回路３，パルス幅設定回路４は
共にＣＰＵ１１内に形成することができるため、駆動回
路の簡略化および小型化が可能である。

【００２９】次に、本発明の第２実施例の超音波モータ
駆動回路について説明する。

【００３０】この第２実施例は、その回路構成は上記第
１実施例と同様であり、ＣＰＵ１１の制御動作のみを異
にしているので、該動作のみを図７に示すフローチャー
トを参照して説明し、その他の説明は省略する。なお、
本第２実施例は、一定速制御を行うものである。

【００３１】まず、上記第１実施例と同様にｆｓ，Ｗｎ
の設定を行い（ステップＳ２２）、駆動を開始する（ス
テップＳ２３）。次にモニタ信号位相により最適駆動周
波数を追尾する（ステップＳ２４〜ステップＳ２７）
が、ループを１回まわる毎に回数をカウントし（ステッ
プＳ２８）、所定回に達すると（ステップＳ２９）、ス
テップＳ３０にすすむ。つまりここで駆動周波数は固定
される。

【００３２】次に、不図示の操作スイッチ等で停止させ
るか否かを判断し（ステップＳ３０）、停止信号が入力
されていれば超音波モータ７を停止する（ステップＳ３
５）。停止信号が入力されていなければ回転エンコーダ
６からのパルス信号より回転速度を検出し（ステップＳ
３１）、該回転速度と目的速度と比較してスイッチング
パルス幅を増減する（ステップＳ３３，ステップＳ３
４）。

【００３３】本第２実施例によれば、まず適当な周波数
を決めてから周波数を固定し、スイッチングパルス幅で
速度を制御するため、確実に起動し、かつ停止や異音、
振動等がなく超音波モータを必要な速度に保って駆動が
できる。尚、ステップＳ３９の判断は、回数でなく、タ
イマ・カウンタ等の時間や、回転エンコーダからのパル
ス数で判断してもよい。

【００３４】上記各実施例において、発振回路３はＶＣ
Ｏ等他の方式でもよく、また、パルス幅変更指示手段２
および周波数変化禁止手段１はＣＰＵ１１内にて形成し
なくとも、論理回路等で構成してもよい。さらに、駆動
周波数の最適化に用いるモニタ信号は、電流と電圧の位
相差その他の方式でもよい。また速度制御時は一定速で
なく、可変速でも目的速度を設定変更していく等の方法
でも可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
イッチングパルス幅を変化させた際、最適駆動周波数の
追尾機構の誤動作等を防止する超音波モータ駆動回路を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波モータ駆動回
路の電気回路図である。

【図２】上記第１実施例の超音波モータ駆動回路におけ
る発振回路，パルス幅設定回路およびパルス変換回路の
構成を示した電気回路図である。

【図３】上記第１実施例の超音波モータ駆動回路におけ
る位相差カウンタおよび波形整形回路を示した電気回路
図である。

【図４】上記第１実施例の超音波モータ駆動回路の各部
における信号波形を示したタイミングチャートである。

【図５】上記第１実施例の超音波モータ駆動回路の動作
を示すフローチャートである。

【図６】上記第１実施例の超音波モータ駆動回路におけ
る駆動周波数とスイッチングパルス幅の変化の様子を示
した線図である。

【図７】本発明の第２実施例の超音波モータ駆動回路の
動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…周波数変化禁止手段 ２…パルス幅変更指示手段 ３…発振回路 ４…パルス幅設定回路 ５…パルス変換回路 ６…回転エンコーダ ７…超音波モータ ８…位相差カウンタ ９…波形整形回路 １０…ＤＣ電源 １１…ＣＰＵ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源を用い、誘導性素子をスイッチン
   グして発生した交流信号を電気−機械エネルギー変換素
   子に印加することにより、該電気−機械エネルギー変換
   素子が配置された超音波モータを駆動する、超音波モー
   タ駆動回路において、 上記超音波モータの駆動状態を検出するモニタ手段と、 このモニタ手段の出力に基づいて上記交流信号の周波数
   を制御する周波数制御手段と、 上記誘導性素子を制御するスイッチングパルスのパルス
   幅を制御するパルス幅制御手段と、 上記スイッチングパルスのパルス幅が変動している際に
   は、上記周波数制御手段の動作を禁止する周波数変化禁
   止手段と、 を具備したことを特徴とする超音波モータ駆動回路。